小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法及应用.pdf

本发明提供了一种小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法及应用，属于特种加工技术领域。其步骤在于：步骤1、制备液态的非导电反衬材料，涂覆于待加工工件背面或型腔内壁，待非导电涂覆反衬材料固化并与工件之间结合形成涂覆层；步骤2、利用管状电极进行微小孔电化学及其复合加工，当加工工件被击穿时，工作液冲击涂覆层并反流回极间加工区域；步骤3、加工结束后，通过高温气化或者有机溶剂溶解的方式，将涂覆层完全去除。本发明解决了管电极微小孔电化学及其复合加工工件击穿后的缺液问题，保证了孔出口处的充分加工，提高了孔型精度和孔口质量。非导电涂覆层对加工表面进行了保护，且去除简单。

权利要求书1.  一种小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、制备液态的非导电反衬材料，涂覆于待加工工件背面或型腔内壁，待非导电涂覆反衬材料固化并与工件之间结合形成涂覆层；步骤2、利用管状电极进行微小孔电化学及其复合加工，当加工工件被击穿时，工作液冲击涂覆层并反流回极间加工区域，工作液流向与前期加工过程中的流场一致；步骤3、加工结束后，通过高温气化或者有机溶剂溶解的方式，将涂覆层完全去除；上述涂覆层的厚度根据不同加工条件确定，具体是：保证涂覆层和工件的结合强度，保证所需反液效果，保证孔加工穿透时涂覆层不脱落。2.  根据权利要求1所述的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于：上述制备非导电涂覆反衬材料由基体材料、固化剂、添加剂组成。3.  根据权利要求2所述的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于：上述非导电反衬材料根据以下原则确定：管电极穿透工件后能继续进给一个小距离且不发生弯曲和干涉。4.   根据权利要求2所述的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于：上述基体材料为树脂、亚克力胶、蜡、明胶中的一种或几种混合。5.  根据权利要求2所述的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于：上述固化剂为脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、聚醚胺、甲基四氢苯胺、双氰胺中的一种或几种混合。6.  根据权利要求2所述的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于：上述添加剂为偶联剂、促进剂、咪唑、丙酮、乙醇、苯类、松香中的一种或多种组合。7.  根据权利要求1所述的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法的应用于电解、电火花、电液束及其复合微小孔加工中。

说明书小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法及应用
技术领域
本发明涉及一种微小孔电化学及其复合加工反衬方法，属于特种加工技术领域，具体是一种小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法及应用。
背景技术
    随着航空航天、微细精密器械产品的不断发展，微小孔结构在航空航天、军工、精密仪器仪表等领域的应用日趋广泛，特别是航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的加工，由于工作环境恶劣，对气膜冷却孔的加工质量提出了很高的要求，一般来说，加工出的孔除了需要有好的孔型，还需要无重铸层和残余应力。
由于航空发动机多用高温合金和钛合金等难加工材料，一般传统机械加工方法很难实现加工要求，现在这类气膜冷却孔一般用激光加工和电加工等特种加工方式。激光加工利用非常高的能量密度，使加工材料在极短的时间内吸收能量而熔化甚至气化得到去除，理论上可以加工任何材料的工件，但是激光加工是典型的热加工，加工后会残留重铸层和微裂纹，对工件寿命造成影响；电火花加工由于是通过高热熔化或气化金属材料，故和激光加工存在同样的问题；电射流等电化学加工方法加工的小孔不再有重铸层，但是其加工所需的玻璃管的制备较为困难，同时要实现精密加工，加工效率往往较低。
电化学及其复合小孔加工目前都存在一个共性的问题，在小孔打通时，由于孔出口处反液压力骤降至消失，失去反液能力，缺液造成小孔出口的质量受到影响。目前，国内外针对改善穿孔出口质量的研究不多，尚未有行之有效的解决措施。
2013年6月5日，申请号为201310037322.9的中国专利公开了一种采用低熔点合金牺牲层的孔加工方法，低熔点合金牺牲层涂覆在孔加工出口处，加工时此处存在背压，有效缓解了由于缺液造成的低的孔出口质量，但是由于航空发动机的关键性和对材料选择的敏感性，低熔点合金是否会在航空发动机涡轮叶片上有残留尚不得而知，本方法采用的涂覆材料均为有机非金属，在高温或者添加有机溶剂的情况下能保证完全去除无残留，对航空发动机的使用更为保险安全。
2003年12月24日，申请号为03219172.3的中国专利公开了一种带反向冲液装置的高速电火花小孔加工机，在原高速电火花小孔加工机上加了一个反向冲液装置，该装置与被加工工件出口相对应，在工件快被打穿时，向工件出口处喷射具有一定压力的工作液，改善缺液状况，提高孔出口加工质量和效率。但是如航空发动机涡轮叶片这样的双层结构，叶片两层之间空间微小，因而此类反向冲液装置不能适用于涡轮叶片气膜冷却孔这类特殊场合的制造。
2006年10月25日，申请号为200610039408.5的中国专利公开了一种中空零件电铸成形中沟槽的填充方法，沟槽芯模的填充分两层进行，第一层选用易溶解的塑料作为底层，第二层仍采用该塑料，但在其中混合一定比例金属粉以作为导电层，在导电层上进行电铸加工，第一层材料底部预留有冲刷用通液孔，电铸结束后能较为方便的去除芯模。该方法工艺简单易行，所制造的芯模表面光洁，尺寸精度高，且去除不会残留填充物。但该填充方法与工件之间结合力不高，不能满足微小孔加工的要求，且该方法只适用于中空零件的填充，而本发明所述涂覆方法不局限于所需制孔工件为中空零件。
2011年6月2日，申请号为20110150561.6的中国专利公开了一种复合电极小孔加工工艺，在黄铜电极管的外表面电镀一层熔点高于内部基础材料的金属铬，用此复合电极进行电火花小孔加工，不仅提高了加工速度，而且利用复合电极中心较边缘电蚀量大的特点，减少了工具电极加工段的锥度，从而使加工孔的喇叭口变小，得到了较好的孔加工质量。但是该工艺并没有针对由于缺液造成的孔出口质量差的缺陷，提出有效的解决办法。
发明内容
本发明针对以往电化学及其复合加工制微小孔出口处缺液造成孔出口质量差的问题，提出一种小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法及应用，旨在解决微小孔加工出口处缺液及工件的防护问题，且涂覆层易于去除无残留，对工件后续使用不会造成影响。
一种小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、制备液态的非导电反衬材料，涂覆于待加工工件背面或型腔内壁，待非导电涂覆反衬材料固化并与工件之间结合形成涂覆层；步骤2、利用管状电极进行微小孔电化学及其复合加工，当加工工件被击穿时，工作液冲击涂覆层并反流回极间加工区域，工作液流向与前期加工过程中的流场一致；步骤3、加工结束后，通过高温气化或者有机溶剂溶解的方式，将涂覆层完全去除；上述涂覆层的厚度根据不同加工条件确定，具体是：保证涂覆层和工件的结合强度，保证所需反液效果，保证孔加工穿透时涂覆层不脱落。
    所述的制备非导电涂覆反衬材料由基体材料、固化剂、添加剂组成，其组合比例可进行调节；所述的基体材料可为树脂、亚克力胶、蜡、明胶中的一种或几种混合；所述的固化剂可为脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、聚醚胺、甲基四氢苯胺、双氰胺中的一种或几种混合；所述的添加剂可为偶联剂、促进剂、咪唑、丙酮、乙醇、苯类、松香中的一种或多种组合；所述的反衬材料可制作任意的涂覆厚度，以保证加工时反液的效果和反衬材料和工件的结合力；所述的反衬方法适用于电解、电火花、电液束及其复合微小孔加工中。
微小孔加工时，所加工孔的锥度是反映孔加工质量的一个重要参数，特别是航空发动机气膜冷却孔对其锥度有严格的要求，电解加工制孔由于电解腐蚀的发散性也会使得孔入口直径较出口大形成锥度，本方法采用孔加工出口处涂覆反衬层，有效改善了此类问题，在加工末段时，反液继续从电极和工件间隙内流出，电解作用依然存在，间隙小的地方电解溶解速度较间隙大的地方快，进而缩小了孔出口和孔入口处直径的差异，即减小了锥度，优化了孔加工质量。
本专利提出的小孔电化学及其复合加工的绝缘材料涂覆反衬方法，通过事先涂覆的非导电反衬层的反液作用，有效改善了由于缺液造成的孔出口质量差的缺陷，提高了微小孔加工的出口质量，并有效优化了电化学及其复合加工微小孔的锥度。
本发明的优点在于：1、使用非导电反衬材料，涂覆于待加工工件背面或型腔内壁，利用管状电极进行微小孔电化学及其复合加工，当加工工件被击穿时，工作液可以冲击涂覆层并继续反流回极间加工区域，工作液流向与前期加工过程中的流场一致，孔出口加工条件得以优化，提高了孔出口加工质量。2、为保证涂覆层和工件的结合强度，保证所需反液效果，保证孔加工穿透时涂覆层不易脱落，涂覆层厚度在加工较小孔径的情况时选用较小值，加工较大孔径的情况时选用较大值。3、上述非导电反衬材料根据以下原则确定：管电极穿透工件后能继续进给一个小距离且不发生弯曲和干涉，以得到更好的孔加工质量，可使非导电反衬材料相互按比例混合或者加入添加剂调节以得到不同熔点或硬度，较低的熔点或硬度的条件适用于加工区产热较少或较小孔径加工的情况，较高的熔点或硬度的条件适用于加工区产热较多或较大孔径加工的情况，从而应对不同加工条件和环境。4、涂覆的反衬材料在加工后通过高温气化或者有机溶剂溶解加以去除，工件表面不会残留反衬材料。
附图说明
图1是涂覆有非导电材料反衬层的微小孔电化学及其复合加工截面示意图；
图2是未涂覆与涂覆反衬材料的微小孔电化学及其复合加工效果对比示意图；
图3是平板类工件非导电材料涂覆反衬方法示意图；图4是类航空发动机叶片空腔工件非导电材料涂覆反衬方法示意图；
图中标号名称：1、非导电涂覆反衬层；2、工件；3、加工电极；4、工作液；5、无涂覆反衬层孔出口缺陷；6、平板类工件；7、空腔类工件。
具体实施方式
图1所示涂覆有非导电材料反衬层1的微小孔，在加工电极3打通工件2时，因涂覆的非导电材料反衬层2与工件3间足够的结合力，保证了加工间隙内的压力不外泄，涂覆的反衬层2起到了反液的效果，孔出口处不再缺工作液4，孔出口质量得到提升。
图2（a）所示未涂覆反衬材料的微小孔，在加工电极3快加工到工件2底层时，工件2已被电化学及其复合加工作用打穿，此时加工间隙内的压力骤降，工作液顺势流出，导致工件2孔出口处无工作液，形成较严重的孔出口缺陷5。图2（b）所示涂覆反衬材料的微小孔得到了好的出口效果。
图3表示了平板类工件6非导电材料涂覆反衬方法，其中图（a）表示工件背面涂覆非导电材料示意图；图（b）表示涂覆有非导电反衬材料微小孔加工后示意图；图（c）表示高温熔化气化或有机溶剂溶解去除涂覆的反衬材料后工件示意图。如图（a）所示，先行制备液态的非导电反衬材料，再涂覆于待加工平板类工件6背面，冷却凝固或者加固化剂使非导电反衬材料固化，并且要使得涂覆反衬材料与工件之间具有一定的结合力。图（b）中，进行了微小孔的加工，涂覆的非导电反衬材料在孔出口处起到反液的效果，优化得到良好的孔出口质量，并且由于反衬层的非导电性，防止了加工电极3进一步对下层工件的影响，对下层工件起到了防护作用。图（c）中，涂覆的反衬材料通过高温熔化或者气化加以去除，或者通过加机溶剂加以溶解去除，所得到的微小孔出口加工质量优良，并且去除完全，无残留。
图4表示了空腔类工件7非导电涂覆反衬方法，其中图（a）表示工件腔体内填充非导电材料示意图；图（b）表示填充有非导电反衬材料微小孔加工后示意图；图（c）表示高温熔化气化或有机溶剂溶解去除填充的反衬材料后工件示意图。如图（a）所示，将制备的液态的非导电反衬材料填充于待加工空腔类工件7腔体内，采用冷却凝固或者加固化剂使非导电反衬材料固化，固化后，涂覆反衬材料与工件之间要具有一定的结合力。图（b）中，微小孔的加工时，在孔出口处填充的非导电反衬材料在孔出口处起到反液的效果，使得加工优化，并得到良好的孔出口质量，并且非导电的反衬层还进一步防止了加工电极3对下层工件的影响，防护了工件不因过度进给而报废。图（c）中，填充的反衬材料在高温下熔化或者气化加以去除，或者通过加机溶剂加以溶解去除后，得到出口加工质量优良的微小孔，并且能够去除完全，无残留，对航空发动机制造具有重要意义。